JP4021317B2 - Contact mechanism control device - Google Patents

Description

【００３３】
但し、Ｊm：電気モータ１０及びシフトホーク１１を含めたカップリングスリーブ６の等価慣性、ω：電気モータ１０の回転速度（回転数センサ１５により検出される）、Ｔm：電気モータ１０の出力トルク。
【００３４】
また、電気モータ１０の出力トルク（Ｔm）と電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）との関係は以下の式（２）で表され、電気モータ１０の電機子に生じる電圧（Ｖm，以下、電機子電圧という）と電機子の電気抵抗（Ｒm，以下、電機子抵抗という）との関係は以下の式（３）で表される。
【００３５】
【数２】

【００３６】
但し、Ｉm：電気モータ１０の電機子電流、Ｋm：トルク変換係数。
【００３７】
【数３】

【００３８】
但し、Ｖm：電気モータ１０の電機子電圧、Ｒm：電気モータ１０の電機子抵抗。
【００３９】
したがって、上記式（１）に上記式（２）及び式（３）の関係を適用して、以下の式（４）を得ることができる。
【００４０】
【数４】

【００４１】
さらに、電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）と、電気モータ１０に生じる逆起電力との関係は以下の式（５）で表される。
【００４２】
【数５】

【００４３】
但し、Ｖin：電気モータ１０への印加電圧、Ｋm’：逆起電力定数。
【００４４】
そして、上記式（５）の関係を上記式（４）に適用すると、以下の式（６）を得ることができる。
【００４５】
【数６】

【００４６】
また、電気モータ１０の回転速度（ω）及び回転角度（θ）と、慣性系物体３０の位置（Ｐsc）との関係は、以下の式（７）及び式（８）で表される。
【００４７】
【数７】

【００４８】
【数８】

【００４９】
但し、ω：電気モータ１０の回転速度、θ：電気モータ１０の回転角度、ｔ：電気モータ１０が作動を開始してからの経過時間、Ｒsc：電気モータ１０の回転角度（θ）と慣性系物体３０の間のレバー比及びギヤ比。
【００５０】
したがって、上記式（７），式（８）から、以下の式（９），式（１０），式（１１）を得ることができる。
【００５１】
【数９】

【００５２】
【数１０】

【００５３】
【数１１】

【００５４】
そして、上記式（９），式（１０），式（１１）を上記式（６）に代入すると、以下の式（１２）を得ることができる。
【００５５】
【数１２】

【００５６】
また、同期機構２の制御に必要な要素として、カップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）の他に、電気モータ１０に掛かる負荷を検出するための電機子電流（Ｉm）がある。そこで、上記式（４）及び式（１１）から、電機子電流（Ｉm）に関するモデル式である以下の式（１３）を得る。
【００５７】
【数１３】

【００５８】
但し、Ｉm：電気モータ１０の電機子電流。
【００５９】
以上により、電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）を入力とし、カップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）と電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）を出力とする１入力２出力系のモデルは、上記式（１２）と式（１３）により表すことができる。
【００６０】
次に、慣性系物体３０が弾性系物体３１と接触して、弾性系物体３１からの反力を受けるようになったとき（カップリングスリーブ６がシンクロナイザリング８と接触して、シンクロナイザリング８からの反力を受けるようになったとき）の連続時間系のモデル式の導出について説明する。
【００６１】
図２における慣性系物体３１の運動方程式は以下の式（１４）で表される。
【００６２】
【数１４】

【００６３】
但し、Ｍs：弾性系物体３１の等価慣性、Ｐsc_def：弾性系物体３１の待機位置、Ｋsc：弾性系物体３０のバネ定数、Ｆsc：弾性系物体３１が慣性系物体３０から受ける力（弾性系物体３１が慣性系物体３０に与える反力）。
【００６４】
上記式（１４）を反力（Ｆsc）について整理すると、以下の式（１５）の形で表される。
【００６５】
【数１５】

【００６６】
ここで、反力（Ｆsc）は、弾性系物体３１が慣性系物体３０に対して与える反力となり、該反力（Ｆsc）が掛かったときの慣性系物体３０の運動方程式は以下の式（１６）で表される。
【００６７】
【数１６】

【００６８】
この式（１６）を変形すると以下の式（１７）の形となり、電気モータ１０の逆起電力を考慮すると、電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）と電機子電圧（Ｖm）との関係は以下の式（１８）で表される。
【００６９】
【数１７】

【００７０】
【数１８】

【００７１】
また、式（１８）に上記式（１０）及び式（１１）を代入すると以下の式（１９）の形となり、式（１９）を整理して以下の式（２０）を得ることができる。
【００７２】
【数１９】

【００７３】
【数２０】

【００７４】
さらに、電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）については、上記式（１６）に上記式（１１）を代入して、以下の式（２１）を得ることができる。
【００７５】
【数２１】

【００７６】
以上により、弾性系物体３１からの反力を考慮したモデルは、上記式（２０）と式（２１）により表すことができる。
【００７７】
次に、上記式（２０）及び式（２１）により表される連続時間系のモデル式に基づいて、離散時間系のモデル式を導出する。
【００７８】
先ず、連続時間系のモデルの状態変数（ｘ₁，ｘ₂）を以下の式（２２）のように設定すると、上記式（２０）より、連続時間系のモデルを以下の式（２３）により表すことができる。
【００７９】
【数２２】

【００８０】
【数２３】

【００８１】
ここで、制御装置１のサンプリング周期をＴとすると、上記式（２３）は、オイラー近似により以下の式（２４）の形で表され、式（２４）を変形して以下の式（２５）及び式（２６）を得ることができる。
【００８２】
【数２４】

【００８３】
但し、ｔ：サンプリング時点、Ｔ：サンプリング周期。
【００８４】
【数２５】

【００８５】
【数２６】

【００８６】
さらに、オイラー近似により、上記式（２６）におけるｘ₂(t-T)は以下の式（２７）で表すことができる。
【００８７】
【数２７】

【００８８】
そして、上記式（２５）に上記式（２６）及び式（２７）を代入して整理すると、以下の式（２８）を得ることができる。
【００８９】
【数２８】

【００９０】
式（２８）におけるｔ＝ｋＴとして整理すると、以下の式（２９）の形となり、式（３０）を得ることができる。
【００９１】
【数２９】

【００９２】
【数３０】

【００９３】
そして、上記式（３０）における係数を以下の式（３１）に示したように置き換えると、式（３０）は以下の式（３２）の形で表すことができる。
【００９４】
【数３１】

【００９５】
【数３２】

【００９６】
そこで、制御装置１は、上記式（３２）により表される離散時間系のモデルにおける外乱項ｄを０とした以下の式（３３）のモデル式に基づいて、図３に示した構成により設計される。以下、図３に示した制御装置１の構成について説明する。
【００９７】
【数３３】

【００９８】
先ず、上記式（３３）で表されるモデルに対して、▲１▼慣性系物体３０の実位置（Ｐsc）を目標位置（Ｐsc_cmd）に迅速に追従させ、▲２▼慣性系物体３０と弾性系物体３１の接触時のコンプライアンス性（ゴムのような弾性）を実現する、スライディングモードコントローラ４０の設計手順について説明する。
【００９９】
スライディングモードコントローラ４０は、応答指定型制御の一例であるスライディングモード制御を用いて、慣性系物体３０の挙動を制御する。そして、スライディングモードコンとローラ４０には、上記式（３３）に基づいて実位置把握部２１により算出される慣性系物体３０の実位置（Ｐsc）と、目標位置設定部２２により設定される慣性系物体３０の目標位置（Ｐsc_cmd）と、後述するコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）とが入力される。
【０１００】
そして、慣性系物体３０の実位置（Ｐsc）と目標位置（Ｐsc_cmd）との偏差（Ｅsc）を以下の式（３４）に示したように定義すると、偏差（Ｅsc）の収束挙動や外乱が偏差（Ｅsc）に与える影響度合を指定する切換関数（σ，本発明の線形関数に相当する）は、式（３４）の状態変数がＰsc(k)とＰsc（k-1）の２つであるため、以下の式（３５）のように定義される。
【０１０１】
【数３４】

【０１０２】
【数３５】

【０１０３】
但し、ＶＰＯＬＥ：コンプライアンスパラメータ（切換関数設定パラメータ）。
【０１０４】
スライディングモードコントローラ４０は、この切換関数（σ）が、σ(k)＝０となるように制御入力を決定する。また、σ(k)＝０は、上記式（３５）から、以下の式（３６）の形に変形することができる。
【０１０５】
【数３６】

【０１０６】
ここで、式（３６）は入力のない１次遅れ系を意味しているため、スライディングモードコントローラ４０は、制御系の応答を上記式（３６）の１次遅れ系に収束させる制御を実行する。
【０１０７】
したがって、図４（ａ）に示したように、縦軸をＥsc(k)とし横軸をＥsc(k-1)とした位相平面を設定すると、上記式（３６）は、該位相平面上の線形関数を意味することがわかる。また、上記式（３６）は入力のない１次遅れ系であるから、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ，本発明の演算係数に相当する）を以下の式（３７）の範囲内に設定して、該１次遅れ系を安定化させれば、時間の経過（ｋ→∞）により偏差（Ｅsc）が必ず０に収束する系となる。
【０１０８】
【数３７】

【０１０９】
このことから、図４（ａ）に示した位相平面上において、偏差の状態量（Ｅsc(k)，Ｅsc（k-1)）が切換関数（σ(k)＝０）上に載ると、該状態量は入力のない１次遅れ系に拘束されるため、時間の経過と共に位相平面の原点{（Ｅsc(k)，Ｅsc(k-1)）＝（０，０）}に自動的に収束することになる。
【０１１０】
そこで、スライディングモードコントローラ４０は、このような切換関数上での偏差の状態量（Ｅsc(k)，Ｅsc（k-1)）の挙動を利用して、図４（ａ）に示したように、上記式（３５）でσ＝０となるように制御入力（Ｖin）を決定することによって、該状態量を切換関数（σ(k)＝０）上に拘束し、外乱やモデル化誤差の影響を受けることなく、該状態量を位相平面の原点に収束させる。
【０１１１】
なお、偏差の状態量が切換関数に漸近するまでの挙動（図中Ｐ₁からＰ₂までの過程）を到達モードといい、切換関数上を該状態量が自動的に原点方向に収束する挙動（図中Ｐ₂からＰ₀までの過程）をスライディングモードという。
【０１１２】
また、上記式（３６）のコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を正（０＜ＶＰＯＬＥ＜１）に設定すると、式（３６）で表される１次遅れ系は振動安定形となるため、偏差（Ｅsc）を収束させる制御においては好ましくない。そこで、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を−１から０の範囲（−１＜ＶＰＯＬＥ＜０）で決定することにより、偏差（Ｅsc）の収束応答を図４（ｂ）に示したように設定する。図４（ｂ）において、ａ，ｂ，ｃは、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）をそれぞれ−１，−０．８，−０．５に設定した場合の偏差（Ｅsc）の推移を示しており、ＶＰＯＬＥ＝−１に設定すると、偏差（Ｅsc）は０に収束せずに一定値となる。
【０１１３】
続いて、上記式（３６）の動特性、すなわち、スライディングモードコントローラ４０の応答指定特性について説明する。図５は、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を−０．５，−０．８，−０．９９，−１．０に設定して、σ＝０かつＥsc＝０である状態でステップ外乱Ｄを与えた場合の制御系の応答を示したグラフであり、縦軸を上から偏差（Ｅsc）、切換関数（σ）、外乱（Ｄ）とし、横軸を時間（ｋ）としたものである。
【０１１４】
図５から明らかなように、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の絶対値を小さくするほど、外乱（Ｄ）が偏差（Ｅsc）に与える影響が小さくなり、逆に、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の絶対値を大きくして１に近づけるほど、スライディングモードコントローラ４０が許容する偏差（Ｅsc）が大きくなるという特性がある。そして、このとき、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の値に拘わらず切換関数（σ）の挙動が同一となっていることから、外乱（Ｄ）に対する許容量（外乱に対する抑制能力）をコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）によって指定できることがわかる。
【０１１５】
そして、図２に示した慣性系物体３０と弾性系物体３１の接触時には、▲１▼慣性系物体３０が弾性系物体３１により跳ね返される、▲２▼慣性系物体３０が過大な衝突力により弾性系物体３１に押し込まれる、という状態となることを回避しつつ慣性系物体３０を弾性系物体３１に押し付ける必要がある。
【０１１６】
そこで、上述した特性に着目し、慣性系物体３０と弾性系物体３１の接触時には、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を−１の近傍に設定して外乱に対する偏差（Ｅsc）の許容量を大きくする（外乱に対する抑制能力を低くする）ことによって、慣性系物体３０と弾性系物体３１が接触する際に電気モータ１０の作動によるコンプライアンス性を生じさせることが有効である。
【０１１７】
これにより、慣性系物体３０と弾性系物体３１との接触時に過大な衝撃が生じることを抑制することができ、また、過大な力を弾性系モデル３１に与えることなく、慣性系モデル３０を弾性系モデル３１に押し付けることができる、という効果が得られる。
【０１１８】
この効果を図１に示した実際の同期機構２に適用して考察すると、カップリングスリーブ６がシンクロナイザリング８に接触する際に生じる衝撃を和らげることができる。また、過大な力をシンクロナイザリング８に与えることなくカップリングスリーブ６をシンクロナイザリング８に押し付けて、カップリングスリーブ６と被同期ギヤ７の回転数の同期させて係合させることができる。
【０１１９】
次に、スライディングモードコントローラ４０の制御入力（Ｖin）は、以下の式（３８）に示したように、３つの制御入力の総和により設定される。
【０１２０】
【数３８】

【０１２１】
但し、Ｖin(k)：ｋ番目のサンプリング周期における電気モータ１０への印加電圧、Ｕeq(k)：ｋ番目のサンプリング周期における等価制御入力、Ｕrch(k)：ｋ番目の制御サイクルにおける到達則入力、Ｕadp(k)：ｋ番目のサンプリング周期における適応則入力。
【０１２２】
なお、等価制御入力とは偏差の状態量（Ｅsc(k)，Ｅsc（k-1)）を切換関数（σ＝０）上に拘束するための入力であり、到達則入力とは該状態量を該切換関数に載せるための入力であり、適応則入力とはモデル化誤差や外乱を吸収して該状態量を該切換関数に載せるための入力である。
【０１２３】
以下に、等価制御入力（Ｕeq(k)）、到達則入力（Ｕrch(k)）、及び適応則入力（Ｕadp(k)）の設定方法について説明する。
【０１２４】
先ず、等価制御入力（Ｕeq）は、厳密には位相平面上の任意の場所において、偏差の状態量をその場所にホールドする機能を持つ。そのため、等価制御入力（Ｕeq）は、以下の式（３９）を満たす印加電圧（Ｖin）として算出される。
【０１２５】
【数３９】

【０１２６】
式（３９）に上記式（３５）及び式（３４）を代入すると、以下の式（４０）が得られる。
【０１２７】
【数４０】

【０１２８】
そして、式（４０）に上記式（３３）を代入して整理することにより、等価制御入力（Ｕeq）についての以下の式（４１）を得ることができる。
【０１２９】
【数４１】

【０１３０】
次に、到達則入力（Ｕrch）は、以下の式（４２）により算出される。
【０１３１】
【数４２】

【０１３２】
但し、Ｆ：到達則ゲイン、Δ：切換振幅（機械的なバックラッシュやガタ等の非線形特性の吸収パラメータ）。
【０１３３】
また、切換振幅（Δ）をゼロ（Δ＝０）とすれば、上記式（４２）は以下の式（４３）の形で表される。
【０１３４】
【数４３】

【０１３５】
また、適応則入力（Ｕadp）は、以下の式（４４）により算出される。
【０１３６】
【数４４】

【０１３７】
但し、Ｇ：適応則ゲイン。
【０１３８】
ここで、上記式（４１）の等価制御入力（Ｕeq(k)）、上記式（４３）の到達則入力（Ｕrch(k)）、及び上記式（４４）の適応則入力（Ｕadp(k)）を上記式（３８）に代入して得られる制御入力（Ｕsl(k)）を電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）として上記式（３３）に代入すると、以下の式（４５）が得られる。
【０１３９】
【数４５】

【０１４０】
そして、式（４５）に上記式（３４）及び式（３５）を適用してσについて整理すると、以下の式（４６）を得ることができる。
【０１４１】
【数４６】

【０１４２】
ここで、到達則入力（Ｕrch(k)）と適応則入力（Ｕadp (k)）の役割は、偏差状態量（Ｅsc(k)，Ｅsc(k-1)）を切換関数（σ＝０）上を移動させること、すなわち、上記式（４６）の安定化（σ→０）であるので、上記式（４６）が安定になるように到達則ゲイン（Ｆ）と適応則ゲイン（Ｇ）を決定する必要がある。
【０１４３】
そこで、上記式（４６）をＺ変換すると、以下の式（４７）が得られ、式（４７）を変形して以下の式（４８）が得られる。
【０１４４】
【数４７】

【０１４５】
【数４８】

【０１４６】
この場合、上記式（４８）が安定となる条件は、左辺の第２項と第３項の係数（Ｆ−２，ＧＴ＋１−Ｆ）が、図６の三角領域内に入る組合わせとなるので、これらの係数が該三角領域内に入る組合わせとなるようにＦ，Ｇの値を決定すればよい。
【０１４７】
そして、スライディングモードコントローラ４０は、このようにして決定したＦ，Ｇの値により上記式（４３），式（４４）から到達則入力（Ｕrch(k)）と適応則入力（Ｕadp(k)）をそれぞれ決定し、また、上記式（４１）から等価制御入力（Ｕeq(k)）を決定して、上記式（３８）により電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）を決定する。
【０１４８】
次に、図１を参照して、実際の同期機構２においては、カップリングスリーブ６と被同期ギヤ７の回転数を同期させるため、一定の力でカップリングスリーブ６をシンクロナイズザリング８に押し付ける必要がある。そこで、図２に示したモデルにおいて、慣性系物体３０と弾性系物体３１とが接触した後、一定の押付け力を慣性系物体３０から弾性系物体３１に加える制御を行うための構成が必要となる。
【０１４９】
ここで、慣性系物体３０と弾性系物体３１とが接触した状態での電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）は上記式（２１）により示されるが、回転同期を図っている間は慣性系物体３０の加速度はゼロ（Ｐscの２階微分がゼロ）であると考えられるので、上気式（２１）は以下の式（４９）の形となる。
【０１５０】
【数４９】

【０１５１】
そして、一定の押し付け力は、慣性系物体３０が弾性系物体３１から受ける力（Ｆsc）の反力であるから、押し付け力を一定に保つためには、以下の式（５０）の関係が成り立てばよい。
【０１５２】
【数５０】

【０１５３】
但し、Ｉm_cmd：目標電流値。
【０１５４】
また、上記式（５０）を離散時間化して、実際の電機子電流（Ｉm）と目標電流値（Ｉm_cmd）との偏差（Ｅim）を算出する以下の式（５１）を得ることができる。
【０１５５】
【数５１】

【０１５６】
ここで、上記式（２０）と式（２１）から分かるように、同期機構２は、電気モータ１０に印加する電圧（Ｖin）を入力とし、慣性系物体３０の位置（Ｐsc）と電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）を出力とする１入力２出力系のモデルとして表される。
【０１５７】
しかし、慣性系物体３０と弾性系物体３１が接触するまでは、慣性系物体３０の位置（Ｐsc）の制御のみを行えばよい。そのため、スライディングモードコントローラ４０は、同期機構２を、電気モータ１０への印加電圧（Ｖin）を入力とし慣性系物体３０の位置（Ｐsc）を出力とする１入力１出力系のモデルで表して制御を行えばよい。
【０１５８】
そのため、電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）のフィードバック制御を行なうためには、スライディングモードコントローラ４０を、１入力１出力系のモデルを対象としたものから１入力２出力系のモデルを対象としたものに切り換える必要がある。しかし、このようにスライディングモードコントローラ４０を切り換えると、入力（Ｖin）の不連続性が生じてスライディングモードコントローラ４０を切り換えた時の制御状態を安定化させることが難しい。
【０１５９】
そこで、電圧決定部２４は、スライディングモードコントローラ４０の切り換えを行わず、以下に説明するように、スライディングモードコントローラ４０のコンプライアンス性を設定するコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を、電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）のフィードバックにより調整することによって、慣性系物体３０から弾性系物体３１への押し付け力を安定化させる。
【０１６０】
先ず、電機子電流（Ｉm）のフィードバック制御は、▲１▼電機子電流（Ｉm）の目標電流（Ｉm_cmd）に対する速応性、▲２▼押し付け力に比例する電機子電流（Ｉm）の安定性、を考慮して以下の式（５２）から式（５７）による簡易型のスライディングモード制御を用いて行う。
【０１６１】
【数５２】

【０１６２】
【数５３】

【０１６３】
【数５４】

【０１６４】
【数５５】

【０１６５】
【数５６】

【０１６６】
【数５７】

【０１６７】
但し、Ｌimit：−１〜０の制限処理、Ｆ_Ｉm：到達則ゲイン、Ｇ_Ｉm：適応則ゲイン、ＰＯＬＥ_Ｉm：切換関数設定パラメータ、ＶＰＯＬＥ_bs：ＶＰＯＬＥの基準値、Ｕrch_Ｉm：到達則入力、Ｕadp_Ｉm：適応則入力。
【０１６８】
電流フィードバック系の制御ブロック図を示すと図７のようになる。図７の制御ブロック図では、１入力２出力系のモデルを制御対象とするスライディングモードコントローラを用いる代わりに、１入力１出力のモデルを制御対象とするスライディングモードコントローラ４０の外側に電機子電流（Ｉm）を制御する電流フィードバック部５０を備えた２重フィードバック系となっている。
【０１６９】
なお、電流フィードバック部５０は、図３に示した電圧算出部４１に含まれる。そして、減算器５１により上記式（５２）によって電流偏差（Ｅ_Im）が算出され、切換関数算出部５２により上記式（５３）によって切換関数（σ_Ｉm）の値が算出され、比例演算器５３により上記式（５４）によって到達則入力（Ｕrch_Ｉm）が算出され、積分器５５及び積分乗算器５６により上記式（５５）によって適応則入力（Ｕadp_Ｉm）が算出される。
【０１７０】
また、加算器５７及び加算器５８により上記式（５６）によって電流フィードバックを反映させたコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ_Ｉm）が操作量として算出され、リミッタ５９により上記式（５７）によって制限処理がなされてスライディングモードコントローラ４０に対するコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）が決定される。
【０１７１】
次に、図３に示したコンプライアンスパラメータ算出部４１は、同期機構２の作動を制御するスライディングモードコントローラ４０のコンプライアンス性を設定するコンプライスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を、以下の３つの工程に分けて設定する。
【０１７２】
工程１（本発明の接触工程に相当する）：目標値追従制御…慣性系物体３０の位置（Ｐsc）制御と慣性系物体３０と弾性系物体３１の接触時のコンプライアンス性の制御。コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を慣性系物体３０の位置（Ｐsc）に応じて決定する。
【０１７３】
工程２：回転同期制御…弾性系物体３１への押し付け力の制御。コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を、上述した電気モータ１０の電機子電流のフィードバックにより決定する。
【０１７４】
工程３：静止制御…回転同期後（同期機構２におけるカップリングスリーブ６と被同期ギヤ７の係合が完了した後）の慣性系物体３０の前進移動を停止する制御。コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を一定に保つ。
【０１７５】
そして、コンプライアンスパラメータ算出部４１は、同期機構２の機械的なバラツキや経年変化等により、工程１から工程２に切り換える位置や、工程２から工程３に切り換えるタイミングのばらつきや変化が生じても、安定して工程の切り換えを行う必要がある。以下に工程の切り換えタイミングを決定する方法について説明する。
【０１７６】
図８の上段のグラフは、各工程の切り換わり時における慣性系物体３０の実位置（Ｐsc，図中ｄ）と目標位置（Ｐsc_cmd，図中ｅ）との偏差（Ｅsc＝Ｐsc−Ｐsc_cmd）の変化を示したものであり、縦軸が慣性系物体３０の実位置（Ｐsc）及び目標位置（Ｐsc_cmd）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。グラフから明らかなように、各工程の切り換え時には、偏差（Ｅsc）が以下のように変化する。
【０１７７】
・工程１から工程２への切り換え時：弾性系物体３１との接触により慣性系物体３０の移動が抑制されて、目標位置（Ｐsc_cmd）に対して実位置（Ｐsc）が遅れる状態となり、偏差（Ｅsc）が負方向に増大する。
【０１７８】
・工程２から工程３への切り換え時：弾性系物体３１と慣性系物体３０の回転同期が終了して、慣性系物体３０の位置（Ｐsc）が目標位置（Ｐsc_cmd）に達すると、偏差（Ｅsc）が正方向に減少する。
【０１７９】
そこで、このような偏差（Ｅsc）の変化を検出することによって各工程の切り換えを行い、図８の下段に示したように、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ，図中ｆ）の値を各工程に応じて設定すればよい。
【０１８０】
しかし、図１に示した実際の同期機構２は、機械的なバックラッシュやガタ、フリクションが大きい制御対象である。そのため、制御装置１のサンプリング周期を短く設定した方が制御性が高くなるが、サンプリング周期を短く設定して偏差（Ｅsc）を算出すると、ＳＮ比が低下して偏差（Ｅsc）の変化を検出し難くなる。そこで、電圧決定部２４に備えられたウェーブレット変換フィルタ４３（図３参照）は、以下に説明するように、偏差（Ｅsc）にウェーブレット変換を施して偏差（Ｅsc）の低周波成分のみを抽出することにより、偏差（Ｅsc）の変化を検出し易くする。
【０１８１】
ウェーブレット変換フィルタ４３は、図９（ａ）に示した構成を有し、以下の式（５８）によるハーフバンドローパスフィルタ処理とデシメーション処理を２回繰り返すことによってフィルタリングを行う。
【０１８２】
【数５８】

【０１８３】
但し、ｕ：入力データ、η：サンプリング周期の時系列番号。
【０１８４】
図９（ａ）に示した１段目のハーフバンドローパスフィルタ７０は、今回のサンプリング周期入力値（Ｅsc(k)）と前回のサンプリング周期の入力値（Ｅsc(k-1)）に対して上記式（５７）の処理を行い、２段目のハーフバンドローパスフィルタ７１は、１段目のハーフバンドローパスフィルタ７０の出力にデシメーション処理７２を施したＥsc_wv₁(m₁)の今回値と前回値（Ｅsc_wv₁(m₁)とＥsc_wv₁(m₁-1)）に対して、上記式（５８）の処理を行う。
【０１８５】
図９（ｂ）に示したように、ハーフバンドローパスフィルタ７０，７１は、サンプリング周波数の半分（ナイキスト周波数）以上の周波数成分を阻止し、低周波成分のゲインが１より大きいので、低周波成分に対するゲインを増幅する効果が得られる。
【０１８６】
また、図９（ａ）におけるデシメーション処理７２，７３（２↓）は間引き処理であり、図１０（ａ）に示したように、入力データ（ｕ）を１つおきにサンプリングする間引き処理を行う。
【０１８７】
ウェーブレット変換フィルタ４３は、ハーフバンドローパスフィルタ７０，７１による処理とデシメーション処理７２，７３を繰り返し施すことによって、図１０（ｂ）のグラフに示したようにゲインを増幅しつつ低周波成分（Ｅsc_wv）を抽出する。なお、図１０（ｂ）に示したグラフの縦軸はゲイン、横軸は周波数に設定されている。
【０１８８】
そして、これにより、入力信号（Ｅsc）の高周波成分が除去されると共に、入力信号（Ｅsc）に対するゲインが増幅されるため、入力信号（Ｅsc）の低周波成分の変化をＳＮ比を向上させて抽出することができる。
【０１８９】
そして、コンプライアンスパラメータ算出部４１は、偏差（Ｅsc）のウェーブレット変換値（Ｅsc_wv）の変化量であるΔＥsc_wv（＝Ｅsc_wv(m)−Ｅsc_wv(m-1)）を用いて、以下に示すように各工程の切り換えを行う。
【０１９０】
・工程１から工程２への切り換え：Ｐsc＞Ｐsc_def 且つ Ｅsc_wv＞Ｘ_SCCNT
・工程２から工程３への切り換え：Ｐsc＞Ｐsc_def かつ ΔＥsc_wv＞Ｘ_SCDONE
但し、Ｐsc_vp：工程１におけるＶＰＯＬＥ可変開始位置、Ｘ_SCCNT：Ｅsc_wvの接触判定閾値、Ｘ_SCDONE：回転同期完了判定閾値。
【０１９１】
以上説明した手法により構成された制御装置１により、同期機構７の作動を制御する手順を図１１に示したフローチャートに従って説明する。制御装置１は、自動車のメインコントローラ（図示しない）から変速機のシフトを指示する信号を受信すると、ＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ２に進む。
【０１９２】
そして、制御装置１は、メインコントローラによって選択されたシフト位置（１速、２速、・・・、ニュートラル）に応じて、目標位置設定部２２により、図１２（ａ）に示したようにカップリングスリーブ６の移動パターンを目標位置（Ｐsc_cmd）として設定する。また、制御装置１は、第１の工程におけるコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の変更位置（Ｐsc_vp）とシンクロナイザリング８の待機位置（Ｐsc_def）を設定する。
【０１９３】
そして、続くＳＴＥＰ３で、制御装置１は、実位置把握部２１により上記式（３３）によって算出されるカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）と目標位置（Ｐsc_cmd）との偏差（Ｅsc）を算出する。なお、図中ｋはｋ番目のサンプリング周期を意味し、Ｐsc(k)及びＰsc_cmd(k)はそれぞれｋ番目のサンプリング周期におけるカップリングスリーブ６の実位置と目標位置を表す。
【０１９４】
次のＳＴＥＰ４で、制御装置１は、上述したウェーブレット変換フィルタ４３による処理を行って、偏差（Ｅsc）のウェーブレット変換値（Ｅsc_wv）を算出する。なお、図中Ｅsc_wv(m)は、図９（ａ）に示したようにｋ番目のサンプリング周期における偏差（Ｅsc(k)）に基づいて算出されたウェーブレット変換値を表している。
【０１９５】
次のＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ７は、上述した各工程（工程１，工程２，工程３）の切り換えタイミングを判断する処理であり、ＳＴＥＰ５及びＳＴＥＰ６が工程１から工程２への切り換え条件を設定し、ＳＴＥＰ７は工程２から工程３への切り換え条件を設定している。
【０１９６】
先ず、ＳＴＥＰ５でカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc(k)）が、シンクロナイザリング８の待機位置（Ｐsc_def）を通過するまではＳＴＥＰ２０に分岐し、図１２（ｂ）に示したコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の設定テーブルに従って、コンプライアンスパラメータ算出部４１がコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を０の近傍（例えば−０．２）に設定する。なお、図１２（ｂ）に示した設定テーブルは、縦軸がコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）に設定され、横軸がカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）に設定されている。
【０１９７】
これにより、カップリングスリーブ６の移動を開始してからコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の変更位置（Ｐsc_vp）に到達するまでは、同期機構２のコンプライアンス性が低くなり、外乱の影響を抑制して安定してカップリングスリーブ６を移動させることができる。
【０１９８】
また、カップリングスリーブ６がコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の変更位置（Ｐsc_vp，本発明の接触体と被接触体間の距離が所定距離以下となる位置に相当する）を通過した時に、コンプライアンスパラメータ算出部４１は、コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を−１の近傍（例えば−０．９９）まで低下させる。このように、実際にカップリングスリーブ６とシンクロナイザリング８が接触する直前に予めコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の値を低下させて同期機構２のコンプライアンス性を高めることによって、カップリングスリーブ６がシンクロナイザリング８に接触したときに生じる衝撃を和らげることができる。
【０１９９】
そして、次のＳＴＥＰ６で、上述した工程１から工程２への切り換え条件であるＥsc_wv(m)＞Ｘ_SCCNTが成立したとき、すなわち、カップリングスリーブ６とシンクロナイザリング８との接触が検知されたときにＳＴＥＰ７に進む。ＳＴＥＰ７では、上述した工程２から工程３への切り換え条件であるΔＥsc_wv(m)＞Ｘ_SCDONEが成立したとき、すなわち、カップリングスリーブ６とシンクロナイザリング８との回転同期がなされて、カップリングスリーブ６がシンクロナイザリング８を通過して被同期ギヤ７と係合したときに、ＳＴＥＰ３０に分岐する。
【０２００】
一方、ＳＴＥＰ７で、ΔＥsc_wv(m)＞Ｘ_SCDONEが成立しないときにはＳＴＥＰ８に進み、コンプライアンスパラメータ算出部４１は、工程１から工程２に切り換えて上述した電流フィードバックによるコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の算出処理を実行する。そして、電圧決定部２４は、このようにして算出したコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）を用いてスライディングモードコントローラ４０により電気モータ１０に対する印加電圧（Ｖin）を算出し、該印加電圧（Ｖin）を電気モータ１０に印加する。
【０２０１】
このように、工程２においては、電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）のフィードバック処理により電気モータ１０の電機子電流（Ｉm）が目標電流（Ｉm_cmd）に維持されて、電気モータ１０の出力トルクが一定に制御され、カップリングスリーブ６のシンクロナイザリング８に対する押し付け力を安定化させることができる。
【０２０２】
そして、これにより、カップリングスリーブ６が過剰な力でシンクロナイザリング８に押し付けられて、同期機構２の破損が生じることを防止することができる。
【０２０３】
また、工程３においては、ＳＴＥＰ３０において、コンプライアンスパラメータ算出部４１によりコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）が一定値（Ｘ_VPOLE_END）に設定される。そして、電圧決定部２４は、該コンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ＝Ｘ_VPOLE_END）を用いてスライディングモードコントローラ４０により電気モータ１０に対する印加電圧（Ｖin）を算出し、該印可電圧（Ｖin）を電気モータ１０に印可してカップリングスリーブ６の移動を速やかに停止する。
【０２０４】
これにより、カップリングスリーブ６と被同期ギヤ７との係合が完了した後も、カップリングスリーブ６が非同期ギヤ７に過剰な力で押し付けられて、同期機構２の破損等が生じることを防止している。
【０２０５】
なお、本実施の形態では、図１に示したように、カップリングスリーブ６を入力軸５側に設け、被同期ギヤ７を駆動軸と連結した同期機構２を対象としたが、カップリングスリーブを出力軸側に設けて、被同期ギヤを入力軸と連結した同期機構に対しても本発明の適用が可能である。
【０２０６】
また、本実施の形態では、電圧決定部２４は、外乱等の影響を考慮した適応則入力を有する適応スライディングモードを用いたが、該適応則入力を省略した一般のスライディングモード制御を用いるようにしてもよく、また、バックステッピング制御等の他の種類の応答指定型制御を用いてもよい。また、電圧決定部２４は、スライディングモード制御を用いて電流フィードバック処理を行ったが、スライディングモード制御を用いずに電流フィードバック処理を行う場合にも、本発明の効果を得ることができる。
【０２０７】
また、本実施の形態では、実位置把握部２１は、図２に示したモデルに基づいてカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）を把握したが、位置センサを設けて該位置センサの位置検出信号とモータ１０とカップリングスリーブ６間のレバー比等から、直接的にカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）を把握するようにしてもよい。
【０２０８】
また、本実施の形態では、自動車の変速機に備えられた同期機構２に対して本発明を適用した例を示したが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えば、図１３は、ワーク８０に対してエンドミル８１によって穴あけ加工を施す工作機械を、エンドミル８１側を慣性系物体としワーク８０側を弾性系物体としてモデル化し、本発明を適用した例を示している。なお、エンドミル８１はチャック８２により上下移動アクチュエータ８３に取り付けられている。
【０２０９】
図１３に示したように、上述した同期機構２に対する制御の場合と同様に、穴あけ加工を施す工程は以下の３つの工程に分けられる。
【０２１０】
・工程１：エンドミル８１がワーク８０に接触するまで、エンドミル８１の先端を短時間でワーク８０に到達させ、かつ、エンドミル８１とワーク８０の接触時の衝撃を抑制する。
【０２１１】
・工程２：エンドミル８１に一定の押し付け力（Ｆc）を加えながらワーク８０を切削する。
【０２１２】
・工程３：ワーク８０の穴あけが終了してワーク８０からの抗力がなくなると、エンドミル８１が急激に下降するため、チャック８２がワーク８０に衝突しないようにエンドミル８１の下降を停止する。
【０２１３】
そして、エンドミル８１の実位置（Ｐy）を図１に示した同期機構２におけるカップリングスリーブ６の実位置（Ｐsc）に置換え、工程１におけるコンプライアンスパラメータ（ＶＰＯＬＥ）の変更位置（Ｐy_vp，同期機構２の制御におけるＰsc_vpに相当する）と、ワーク８０の待機位置（Ｐy_def，同期機構２の制御におけるＰsc_defに相当する）等を設定して、上下移動アクチュエータ８３の作動を制御することによって、穴あけ時間の短縮を図ると共にエンドミル８１とワーク８０の接触時の衝撃を和らげることができ、また、切削時にワーク８０に過剰な押し付け力が加わることを防止することができる。
【０２１４】
なお、本実施の形態では、本発明のアクチュエータとして電気モータ１０を用いた例を示したが、他の種類の電気アクチュエータや、空圧や油圧アクチュエータを用いた場合であっても、本発明の適用が可能である
【図面の簡単な説明】
【図１】同期機構及びその制御装置の構成図。
【図２】図１に示した同期機構のモデル化の説明図。
【図３】図１に示した制御装置の制御ブロック図。
【図４】図３に示したスライディングモードコントローラの挙動を示したグラフ。
【図５】コンプライアンスパラメータの変更による効果を示したグラフ。
【図６】到達則ゲインと適応則ゲインの設定条件を示したグラフ。
【図７】電流フィードバック処理を加えた制御装置の制御ブロック図。
【図８】制御工程の切換タイミングを示したグラフ。
【図９】ウェーブレット変換フィルタの構成図。
【図１０】ウェーブレット変換フィルタにおけるデシメーション処理の説明図。
【図１１】制御装置の作動フローチャート。
【図１２】目標位置とコンプライアンスパラメータの設定テーブルを示した図。
【図１３】工作機械による穴あけ工程を示した図。
【図１４】従来の同期機構の構成図。
【符号の説明】
１…制御装置、２…同期機構、５…入力軸、６…カップリングスリーブ、７…被同期ギヤ、８…シンクロナイザリング、１０…電気モータ、１１…シフトホーク、１５…回転数センサ、２０…電流検出部、２１…実位置把握部、２２…目標位置設定部、２３…目標電流設定部、２４…電圧決定部、３０…慣性系物体、３１…弾性系物体、４０…スライディングモードコントローラ、４１…コンプライアンスパラメータ算出部、４３…ウェーブレット変換フィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a contact mechanism in which a contact body is moved by an actuator to come into contact with a contacted body.
[0002]
[Prior art]
As a contact mechanism that moves a contact body by an actuator to contact a contacted body, for example, as shown in FIG. 14, a coupling sleeve 101 that rotates integrally with an input shaft 100 coupled to an automobile engine, and a drive A synchronizer ring 103 is provided between the input shaft 100 and a synchronized gear 102 that is connected to a wheel (not shown) so as to be rotatable and non-axially movable. A coupling sleeve 101 is coupled by an actuator 105 via a shift fork 104. There is known a transmission synchronization mechanism 110 that switches between connection / disconnection of the coupling sleeve 101 and the synchronized gear 102 by moving the gear.
[0003]
In the synchronization mechanism 110, the coupling sleeve 101 has a hollow structure, and a spline 111 is formed on the inner peripheral surface of the hollow portion. A spline 112 that can be engaged with the spline 111 of the coupling sleeve 101 is formed on the outer peripheral surface of the synchronizer ring 103, and the spline of the coupling sleeve 101 is also formed on the outer peripheral surface of the portion of the synchronized gear 102 that faces the synchronizer ring 103. A spline 113 that can be engaged with 111 is formed.
[0004]
When the coupling sleeve 101 and the synchronized gear 102 are coupled, the shift sleeve 104 moves the coupling sleeve 101 in the direction of the synchronized gear 102. When the coupling sleeve 101 and the synchronizer ring 103 come into contact with each other and the synchronizer ring 103 is pressed against the synchronized gear 102, the rotational speed of the synchronized gear 102 is caused by the frictional force generated between the synchronizer ring 103 and the synchronized gear 102. Increase or decrease.
[0005]
As a result, the rotation speed of the coupling sleeve 101 and the rotation speed of the synchronized gear 102 are synchronized, the spline 111 of the coupling sleeve 101 engages with the spline 112 of the synchronizer ring 103, and the coupling sleeve 101 further moves. Thus, the spline 111 of the coupling sleeve 101 is engaged with the spline 113 of the synchronized gear 102.
[0006]
Here, if the moving speed of the coupling sleeve 101 when the coupling sleeve 101 presses the synchronizer ring 103 against the synchronized gear 102 is too fast, the coupling sleeve 101 is moved when the coupling sleeve 101 comes into contact with the synchronizer ring 103. There is a possibility that the synchronization mechanism 110 may be damaged due to rebounding or the coupling sleeve 101 being pushed into the synchronized gear 102 by an excessive force.
[0007]
Therefore, conventionally, when the coupling sleeve 101 is moved in the direction of the synchronized gear 102, the moving speed of the coupling sleeve 101 is reduced when the distance between the two becomes a predetermined value or less. However, in this case, as the moving speed of the coupling sleeve 101 decreases, there is a disadvantage that it takes a long time to complete the engagement between the coupling sleeve 101 and the synchronized gear 102.
[0008]
In addition, a method of reducing a shock at the time of contact between the coupling sleeve 101 and the synchronizer ring 103 by providing a mechanical buffer mechanism such as a spring between the actuator 105 and the shift fork 104 is also known (Patent Document 1). . However, in the case of such a method, the cost of the synchronization mechanism 110 increases with the addition of the buffer mechanism, and the structure of the synchronization mechanism may become complicated and reliability may be reduced.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-195406
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide a control device for a contact mechanism that eliminates inconveniences that may occur when a contact body is moved by an actuator to contact the contacted body at a low cost. And
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to achieve the above-described object, and includes a contact body provided so as to be movable in one axial direction, an actuator connected to the contact body to move the contact body, and the contact body. The operation of a contact mechanism including a contacted body that comes into contact with the contact body when moved to a predetermined position is controlled, and the contact is performed by the actuator from a state where the contact body and the contacted body face each other with a gap. The present invention relates to a control device that executes a contact process in which a body is moved and brought into contact with the contacted body.
[0012]
The contact mechanism is a synchronous mechanism that switches between transmission / cutoff of power, the contact body is a first engagement member that is integrally rotatable on a shaft, and the contacted body is the shaft Between the first engagement member and the second engagement member that is relatively rotatable and non-axially movable, and is rotatable with respect to the first engagement member and the second engagement member. The first engagement member is movably provided in an axial direction, and is generated by a frictional force generated when the first engagement member and the second engagement member are brought into contact with each other while the shaft is rotated. by synchronizing the rotational speed of the second engagement member and the first engagement member and the second engagement member to a synchronizing member to be engaged, the first engaging member target position setting means is moved to set the target position of the first engagement member in the process of engagement with the second engagement member via the synchronization member and Real position grasping means for grasping an actual position of the first engagement member; means for grasping a pressing force of the first engagement member against the synchronization member; and a target position of the first engagement member And at least the deviation by using response designating control capable of variably design the damping behavior and the damping speed of the deviation between the target position and the actual position of the first engagement member so that the actual position matches the actual position. The operation amount for driving the actuator is determined so as to converge the value of the switching function defined by the linear function based on the equation to zero, and the calculation coefficient of the linear function is set to the actual position of the first engagement member. An operation amount determining means that is set in accordance with the operation amount determining means, wherein in the contacting step, the distance between the first engagement member and the synchronization member is less than or equal to a predetermined distance in the first engagement member. When moving to a position where The number is set in a direction in which the ability to suppress disturbance is reduced, and then the deviation degree of the actual position of the first engagement member with respect to the target position exceeds a first predetermined level, and then the deviation degree is a second value. until decreases with change in the amount of exceeds a predetermined level, to set the calculation coefficient of the linear function as a pressing force to said synchronizing member of the first engagement member is maintained at the target value, the when the deviation degree is decreased by a change amount that exceeds the second predetermined level, and sets the direction of suppressing capability against disturbance becomes high operational coefficient of the linear function.
[0013]
According to the present invention, the contact body position grasping means grasps the position of the contact body. The manipulated variable determining means determines an manipulated variable for driving the actuator so that a switching function value defined by a linear function based on at least a deviation between the actual position of the contact body and the target position converges to zero. decide.
[0014]
In this case, although details will be described later, the ability to suppress disturbance can be changed by changing the calculation coefficient of the linear function. Therefore, the operation amount determination means sets the calculation coefficient according to the actual position of the contact body, and thereby, for example, in the process of moving the contact body toward the contacted body, the calculation coefficient is set. The behavior of the contact body can be stabilized by setting in a direction in which the ability to suppress disturbance is increased. Further, when the contact body comes into contact with the contacted body, the calculation coefficient is set in a direction in which the ability to suppress disturbance is reduced, so that the actuator is interposed between the contact body and the contacted body. It is possible to weaken the impact at the time of contact by generating elasticity by operation.
[0015]
Further, according to the present invention, it is possible to weaken the impact between the contact body and the contacted body at the time of contact by providing elasticity without providing a mechanical buffer mechanism as described above, thereby suppressing an increase in cost. Thus, the contact body and the contacted body can be protected. In addition, since it is not necessary to reduce the moving speed of the contact body before the contact body and the contacted body come into contact with each other in order to weaken an impact at the time of contact, the contact body and the contacted body are in contact with each other. Can be shortened.
[0017]
According to the present invention, when the contact amount approaches the contacted body in the contact step by the operation amount determination unit, the operation coefficient determination unit reduces the ability of suppressing the calculation coefficient against disturbance by the operation amount determination unit. Set to Thereby, before the said contact body contacts the said to-be-contacted body, the suppression capability with respect to a disturbance can be made low beforehand, and the impact which arises when the said contact body and the to-be-contacted body contact can be weakened.
[0019]
According to the present invention, the calculation coefficient is changed by the operation amount determination means in accordance with the actual position of the first engagement member. As a result, the behavior of the first engagement member when the first engagement member approaches the synchronization member is stabilized, and the first engagement member and the synchronization member are brought into contact with each other. It is possible to weaken the impact and prevent the synchronization mechanism from being damaged.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a configuration diagram of the synchronization mechanism and its control device, FIG. 2 is an explanatory diagram of modeling of the synchronization mechanism shown in FIG. 1, FIG. 3 is a control block diagram of the control device shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 5 is a graph showing the effect of changing the compliance parameter, FIG. 6 is a graph showing the reaching law gain and adaptive law gain setting conditions, and FIG. 7 is a current feedback graph. FIG. 8 is a graph showing the switching timing of the control process, FIG. 9 is a block diagram of the wavelet transform filter, FIG. 10 is an explanatory diagram of decimation processing in the wavelet transform filter, and FIG. FIG. 12 shows a target position and compliance parameter setting table, and FIG. 13 shows a machine tool. Is a diagram showing a by drilling process.
[0021]
Referring to FIG. 1, a control device 1 (corresponding to a contact mechanism control device of the present invention) controls the operation of a synchronization mechanism 2 (corresponding to a contact mechanism of the present invention) provided in a transmission of an automobile. It is an electronic unit composed of a microcomputer and a memory.
[0022]
The synchronization mechanism 2 includes a coupling sleeve 6 (corresponding to the contact body and the first engagement member of the present invention) that rotates integrally with an input shaft 5 connected to an engine or an electric motor, and a driving wheel (not shown). A synchronized gear 7 (corresponding to the second engagement member of the present invention), which is connected to a connected output shaft (not shown) and is rotatably and non-rotatably provided on the input shaft 5, and a coupling sleeve 6 Synchronizer ring 8 (corresponding to the contacted body and the synchronizing member of the present invention) provided on the input shaft 5 between the gear 7 and the synchronized gear 7 so as to be rotatable and movable in the axial direction of the input shaft 5, and the electric motor 10 A shift hawk 11 connected to the coupling sleeve 6 (corresponding to the actuator of the present invention) is provided.
[0023]
The shift hawk 11 moves the coupling sleeve 6 in the axial direction of the input shaft 5 according to the rotation of the electric motor 10. The coupling sleeve 6 has a hollow structure, and a spline 12 is formed on the inner peripheral surface of the hollow portion. A spline 13 that can be engaged with the spline 12 of the coupling sleeve 6 is formed on the outer peripheral surface of the synchronizer ring 8, and the spline of the coupling sleeve 6 is also formed on the outer peripheral surface of the synchronized gear 7 facing the synchronizer ring 8. 12 is formed.
[0024]
When the coupling sleeve 6 rotated together with the input shaft 5 moves in the direction of the synchronized gear 7 by the shift hawk 11, the coupling sleeve 6 and the synchronizer ring 8 come into contact with each other, and the synchronizer ring 8 and the synchronized gear 7 come into contact with each other. It becomes a state to do. At this time, the rotational speeds of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 are synchronized via the synchronizer ring 8 by the frictional force generated by the contact.
[0025]
In this way, when the coupling sleeve 6 is further moved in the direction of the synchronized gear 7 in a state where the rotation speeds of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 are synchronized, the spline 12 formed on the coupling sleeve 6 is Then, it passes through the spline 13 formed on the synchronizer ring 8 and engages with the spline 14 formed on the synchronized gear 7. As a result, power is transmitted between the input shaft 5 and the output shaft.
[0026]
Further, the electric motor 10 operates by applying a voltage (Vin, corresponding to the operation amount of the present invention) output from the control device 1, and the rotation speed detection signal (Es) of the electric motor 10 by the rotation speed sensor 15 is controlled. Input to the device 1.
[0027]
The control device 1 includes a current detection unit 20 that detects a current (Im, hereinafter referred to as an armature current) flowing through the armature of the electric motor 10, a cup based on a rotation speed detection signal (Es) from the rotation speed sensor 15, and the like. An actual position grasping part 21 (corresponding to the actual position grasping means of the present invention) for grasping the actual position (Psc) of the ring sleeve 6, the coupling sleeve 6 is moved and engaged with the synchronized gear 7 via the synchronizer ring 8. A target position setting unit 22 (corresponding to target position setting means of the present invention) for setting a target position (Psc_cmd) of the coupling sleeve 6 in the process of combining, a target current (Im_cmd) that is a target value of the current flowing through the electric motor 10 ) And a voltage determination unit 24 for determining a voltage (Vin, corresponding to the operation amount of the present invention) to be applied to the electric motor 10 (operation amount determination of the present invention). And a corresponding) to the unit.
[0028]
Then, after the coupling sleeve 6 starts to move, the actual position grasping unit 21 synchronizes the rotation speeds of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 by the contact with the synchronizer ring 8, and passes through the synchronizer ring 8. The behavior of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 is modeled by considering the collision between the inertial system object and the elastic system object, and the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 is determined based on the model. To grasp.
[0029]
FIG. 2 shows the model. The actual position grasping unit 21 includes an inertial system object 30 having an equivalent inertia Jm including the coupling sleeve 6 including the electric motor 10 and the shift hawk 11 (see FIG. 1). The synchronizer ring 8 (see FIG. 1) is regarded as an elastic body 31 having an equivalent inertia Ms and a spring coefficient Ks, and the position of the coupling sleeve 6 is grasped. In FIG. 2, Tm is the output torque of the electric motor 10, and Psc_def is a standby position (corresponding to a predetermined position of the present invention) of the synchronizer ring 8 (see FIG. 1). Hereinafter, a method for setting a model formula representing the model shown in FIG. 2 will be described.
[0030]
First, derivation of a continuous-time system model expression before the inertial system object 30 contacts the elastic system object 31 (before the coupling sleeve 6 contacts the synchronizer ring 8) will be described.
[0031]
The equation of motion of the electric motor 10 shown in FIG. 1 is expressed by the following equation (1).
[0032]
[Expression 1]

[0033]
Where Jm: equivalent inertia of the coupling sleeve 6 including the electric motor 10 and the shift hawk 11, ω: rotational speed of the electric motor 10 (detected by the rotational speed sensor 15), Tm: output torque of the electric motor 10.
[0034]
The relationship between the output torque (Tm) of the electric motor 10 and the armature current (Im) of the electric motor 10 is expressed by the following equation (2). The relationship between the armature voltage) and the electric resistance of the armature (Rm, hereinafter referred to as armature resistance) is expressed by the following equation (3).
[0035]
[Expression 2]

[0036]
However, Im: Armature current of the electric motor 10, Km: Torque conversion coefficient.
[0037]
[Equation 3]

[0038]
Where Vm is the armature voltage of the electric motor 10, and Rm is the armature resistance of the electric motor 10.
[0039]
Therefore, the following equation (4) can be obtained by applying the relationship of the above equations (2) and (3) to the above equation (1).
[0040]
[Expression 4]

[0041]
Furthermore, the relationship between the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 and the back electromotive force generated in the electric motor 10 is expressed by the following equation (5).
[0042]
[Equation 5]

[0043]
Where Vin: voltage applied to the electric motor 10 and Km ′: counter electromotive force constant.
[0044]
When the relationship of the above formula (5) is applied to the above formula (4), the following formula (6) can be obtained.
[0045]
[Formula 6]

[0046]
Further, the relationship between the rotational speed (ω) and rotational angle (θ) of the electric motor 10 and the position (Psc) of the inertial system object 30 is expressed by the following equations (7) and (8).
[0047]
[Expression 7]

[0048]
[Equation 8]

[0049]
Where ω: rotational speed of the electric motor 10, θ: rotational angle of the electric motor 10, t: elapsed time since the electric motor 10 started operation, Rsc: rotational angle (θ) of the electric motor 10 and inertial system Lever ratio and gear ratio between objects 30.
[0050]
Therefore, the following formulas (9), (10), and (11) can be obtained from the above formulas (7) and (8).
[0051]
[Equation 9]

[0052]
[Expression 10]

[0053]
[Expression 11]

[0054]
Then, by substituting the above formulas (9), (10), and (11) into the above formula (6), the following formula (12) can be obtained.
[0055]
[Expression 12]

[0056]
In addition to the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6, there is an armature current (Im) for detecting a load applied to the electric motor 10 as an element necessary for controlling the synchronization mechanism 2. Therefore, the following equation (13), which is a model equation relating to the armature current (Im), is obtained from the above equations (4) and (11).
[0057]
[Formula 13]

[0058]
Where Im is the armature current of the electric motor 10.
[0059]
As described above, the model of the 1-input 2-output system in which the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 is input, and the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 and the armature current (Im) of the electric motor 10 is output. , And can be expressed by the above formula (12) and formula (13).
[0060]
Next, when the inertial body 30 comes into contact with the elastic body 31 and receives a reaction force from the elastic body 31 (the coupling sleeve 6 comes into contact with the synchronizer ring 8 and the synchronizer ring 8 Next, the derivation of the model formula of the continuous time system (when the reaction force is received) will be described.
[0061]
The equation of motion of the inertial system object 31 in FIG. 2 is expressed by the following equation (14).
[0062]
[Expression 14]

[0063]
Where Ms: equivalent inertia of the elastic object 31, Psc_def: standby position of the elastic object 31, Ksc: spring constant of the elastic object 30, Fsc: force that the elastic object 31 receives from the inertial object 30 (elastic object 31 is a reaction force applied to the inertial object 30).
[0064]
When the above formula (14) is arranged with respect to the reaction force (Fsc), it is expressed in the form of the following formula (15).
[0065]
[Expression 15]

[0066]
Here, the reaction force (Fsc) is a reaction force applied to the inertial system object 30 by the elastic system object 31, and the equation of motion of the inertial system object 30 when the reaction force (Fsc) is applied is as follows: 16).
[0067]
[Expression 16]

[0068]
When this equation (16) is modified, the following equation (17) is obtained. Considering the back electromotive force of the electric motor 10, the relationship between the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 and the armature voltage (Vm) is It is represented by the following formula (18).
[0069]
[Expression 17]

[0070]
[Expression 18]

[0071]
Moreover, if the said Formula (10) and Formula (11) are substituted into Formula (18), it will become the form of the following formula | equation (19), Formula (19) can be rearranged and the following formula | equation (20) can be obtained.
[0072]
[Equation 19]

[0073]
[Expression 20]

[0074]
Further, for the armature current (Im) of the electric motor 10, the following equation (21) can be obtained by substituting the above equation (11) into the above equation (16).
[0075]
[Expression 21]

[0076]
As described above, the model considering the reaction force from the elastic object 31 can be expressed by the above equations (20) and (21).
[0077]
Next, a discrete-time system model expression is derived based on the continuous-time system model expression expressed by the above expressions (20) and (21).
[0078]
First, when the state variables (x ₁ , x ₂ ) of the continuous-time system model are set as in the following equation (22), the continuous-time system model is expressed by the following equation (23) from the above equation (20). Can be represented.
[0079]
[Expression 22]

[0080]
[Expression 23]

[0081]
Here, when the sampling period of the control device 1 is T, the above equation (23) is expressed in the form of the following equation (24) by Euler approximation, and the following equation (25) is modified from the equation (24). And Equation (26) can be obtained.
[0082]
[Expression 24]

[0083]
However, t: sampling time, T: sampling period.
[0084]
[Expression 25]

[0085]
[Equation 26]

[0086]
Furthermore, by Euler approximation, x ₂ (tT) in the above equation (26) can be expressed by the following equation (27).
[0087]
[Expression 27]

[0088]
Then, by substituting the above formulas (26) and (27) into the above formula (25) and rearranging, the following formula (28) can be obtained.
[0089]
[Expression 28]

[0090]
By arranging t = kT in equation (28), the following equation (29) is obtained, and equation (30) can be obtained.
[0091]
[Expression 29]

[0092]
[30]

[0093]
When the coefficient in the above equation (30) is replaced as shown in the following equation (31), the equation (30) can be expressed in the form of the following equation (32).
[0094]
[31]

[0095]
[Expression 32]

[0096]
Therefore, the control device 1 is designed with the configuration shown in FIG. 3 based on the model equation of the following equation (33) in which the disturbance term d in the discrete time system model represented by the above equation (32) is zero. Is done. Hereinafter, the configuration of the control device 1 shown in FIG. 3 will be described.
[0097]
[Expression 33]

[0098]
First, (1) the actual position (Psc) of the inertial system object 30 is made to quickly follow the target position (Psc_cmd) with respect to the model represented by the above formula (33), and (2) the inertial system object 30 is elastic. The design procedure of the sliding mode controller 40 that realizes compliance (elasticity like rubber) at the time of contact of the system object 31 will be described.
[0099]
The sliding mode controller 40 controls the behavior of the inertial system object 30 by using sliding mode control which is an example of response designation type control. In the sliding mode controller and the roller 40, the actual position (Psc) of the inertial system object 30 calculated by the actual position grasping unit 21 based on the above equation (33) and the inertia set by the target position setting unit 22 are set. A target position (Psc_cmd) of the system object 30 and a compliance parameter (VPOLE) described later are input.
[0100]
When the deviation (Esc) between the actual position (Psc) of the inertial system object 30 and the target position (Psc_cmd) is defined as shown in the following equation (34), the convergence behavior or disturbance of the deviation (Esc) is a deviation. The switching function (σ, corresponding to the linear function of the present invention) that specifies the degree of influence on (Esc) has two state variables, Psc (k) and Psc (k−1), in equation (34). Therefore, it is defined as the following equation (35).
[0101]
[Expression 34]

[0102]
[Expression 35]

[0103]
However, VPOLE: compliance parameter (switching function setting parameter).
[0104]
The sliding mode controller 40 determines the control input so that the switching function (σ) becomes σ (k) = 0. Further, σ (k) = 0 can be transformed from the above equation (35) into the following equation (36).
[0105]
[Expression 36]

[0106]
Here, since Expression (36) means a first-order lag system with no input, the sliding mode controller 40 executes control to converge the response of the control system to the first-order lag system of Expression (36). .
[0107]
Therefore, as shown in FIG. 4 (a), when a phase plane having the vertical axis Esc (k) and the horizontal axis Esc (k-1) is set, the above equation (36) is expressed on the phase plane. It can be seen that it means a linear function. Further, since the above equation (36) is a first-order lag system without input, the compliance parameter (VPOLE, corresponding to the calculation coefficient of the present invention) is set within the range of the following equation (37), and the 1 If the next delay system is stabilized, the deviation (Esc) always converges to 0 over time (k → ∞).
[0108]
[Expression 37]

[0109]
From this, when the deviation state quantities (Esc (k), Esc (k−1)) are placed on the switching function (σ (k) = 0) on the phase plane shown in FIG. Since the state quantity is constrained by a first-order lag system with no input, the phase plane origin {(Esc (k), Esc (k-1)) = (0, 0)} automatically with time. It will converge.
[0110]
Therefore, the sliding mode controller 40 utilizes the behavior of the deviation state quantities (Esc (k), Esc (k-1)) on the switching function as shown in FIG. By determining the control input (Vin) so that σ = 0 in the above equation (35), the state quantity is constrained on the switching function (σ (k) = 0), and disturbances and modeling errors are reduced. The state quantity is converged to the origin of the phase plane without being affected.
[0111]
The behavior until the deviation state quantity asymptotically approaches the switching function (the process from P ₁ to P _{2 in the} figure) is called an arrival mode, and the behavior in which the state quantity automatically converges in the origin direction on the switching function. (Process from P ₂ to P _{0 in the} figure) is called a sliding mode.
[0112]
Further, when the compliance parameter (VPOLE) of the above equation (36) is set to be positive (0 <VPOLE <1), the first-order lag system represented by the equation (36) becomes a vibration stable type, so that the deviation (Esc) It is not preferable in the control for converging. Therefore, by determining the compliance parameter (VPOLE) in the range of −1 to 0 (−1 <VPOLE <0), the convergence response of the deviation (Esc) is set as shown in FIG. In FIG. 4B, a, b, and c show transitions of the deviation (Esc) when the compliance parameter (VPOLE) is set to −1, −0.8, and −0.5, respectively. When set to −1, the deviation (Esc) does not converge to 0 but becomes a constant value.
[0113]
Next, the dynamic characteristic of the above equation (36), that is, the response specifying characteristic of the sliding mode controller 40 will be described. FIG. 5 shows a step disturbance D with σ = 0 and Esc = 0 with the compliance parameter (VPOLE) set to −0.5, −0.8, −0.99, and −1.0. The vertical axis indicates deviation (Esc), switching function (σ), disturbance (D), and horizontal axis indicates time (k).
[0114]
As is clear from FIG. 5, the smaller the absolute value of the compliance parameter (VPOLE) is, the less influence the disturbance (D) has on the deviation (Esc). Conversely, the absolute value of the compliance parameter (VPOLE) is increased. As the value approaches 1, the deviation (Esc) allowed by the sliding mode controller 40 increases. At this time, since the behavior of the switching function (σ) is the same regardless of the value of the compliance parameter (VPOLE), the allowable amount for the disturbance (D) (the ability to suppress the disturbance) is set to the compliance parameter (VPOLE). You can specify that.
[0115]
When the inertial system object 30 and the elastic system object 31 shown in FIG. 2 come into contact with each other, (1) the inertial system object 30 is rebounded by the elastic system object. (2) The inertial system object 30 is elasticized by an excessive collision force. It is necessary to press the inertial object 30 against the elastic object 31 while avoiding being pushed into the system object 31.
[0116]
Therefore, paying attention to the characteristics described above, when the inertial system object 30 and the elastic system object 31 are in contact with each other, the compliance parameter (VPOLE) is set in the vicinity of −1 to increase the tolerance of the deviation (Esc) with respect to the disturbance (disturbance). It is effective to generate compliance by the operation of the electric motor 10 when the inertial system object 30 and the elastic system object 31 come into contact with each other.
[0117]
Thereby, it is possible to suppress an excessive shock from occurring when the inertial system object 30 and the elastic system object 31 are in contact with each other, and the inertial system model 30 is elasticized without applying an excessive force to the elastic system model 31. The effect that it can be pressed against the system model 31 is obtained.
[0118]
When this effect is considered and applied to the actual synchronization mechanism 2 shown in FIG. 1, the impact generated when the coupling sleeve 6 contacts the synchronizer ring 8 can be reduced. Further, the coupling sleeve 6 can be pressed against the synchronizer ring 8 without applying an excessive force to the synchronizer ring 8, and the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 can be engaged in synchronization with each other.
[0119]
Next, the control input (Vin) of the sliding mode controller 40 is set by the sum of the three control inputs as shown in the following equation (38).
[0120]
[Formula 38]

[0121]
Where Vin (k): voltage applied to the electric motor 10 in the kth sampling cycle, Ueq (k): equivalent control input in the kth sampling cycle, Urch (k): reaching law input in the kth control cycle , Uadp (k): Adaptive law input at the kth sampling period.
[0122]
The equivalent control input is an input for constraining the deviation state quantity (Esc (k), Esc (k-1)) on the switching function (σ = 0), and the reaching law input is the state quantity. Is input to the switching function, and the adaptive law input is an input to absorb modeling errors and disturbances and put the state quantity on the switching function.
[0123]
Hereinafter, a method for setting the equivalent control input (Ueq (k)), the reaching law input (Urch (k)), and the adaptive law input (Uadp (k)) will be described.
[0124]
First, the equivalent control input (Ueq) strictly has a function of holding a deviation state quantity at an arbitrary place on the phase plane. Therefore, the equivalent control input (Ueq) is calculated as an applied voltage (Vin) that satisfies the following equation (39).
[0125]
[39]

[0126]
Substituting the above equations (35) and (34) into equation (39) yields the following equation (40).
[0127]
[Formula 40]

[0128]
Then, by substituting the above equation (33) into the equation (40) and rearranging, the following equation (41) for the equivalent control input (Ueq) can be obtained.
[0129]
[Expression 41]

[0130]
Next, the reaching law input (Urch) is calculated by the following equation (42).
[0131]
[Expression 42]

[0132]
Where F: reaching law gain, Δ: switching amplitude (absorption parameter of nonlinear characteristics such as mechanical backlash and backlash).
[0133]
If the switching amplitude (Δ) is set to zero (Δ = 0), the above equation (42) is represented by the following equation (43).
[0134]
[Equation 43]

[0135]
The adaptive law input (U a dp) is calculated by the following equation (44).
[0136]
(44)

[0137]
Where G: adaptive law gain.
[0138]
Here, the equivalent control input (Ueq (k)) of the above equation (41), the reaching law input (Urch (k)) of the above equation (43), and the adaptive law input (Uadp (k) of the above equation (44) ) Is substituted into the above equation (38), the control input (Usl (k)) obtained by substituting it into the above equation (38) is substituted into the above equation (33) as the applied voltage (Vin) to the electric motor 10, and the following equation (45) is obtained. It is done.
[0139]
[Equation 45]

[0140]
Then, by applying the above formulas (34) and (35) to the formula (45) and arranging for σ, the following formula (46) can be obtained.
[0141]
[Equation 46]

[0142]
Here, the role of the reaching law input (Urch (k)) and the adaptive law input (Uadp (k)) is to switch the deviation state quantity (Esc (k), Esc (k-1)) to the switching function (σ = 0). Since moving above, that is, stabilization (σ → 0) of the above equation (46), the reaching law gain (F) and the adaptive law gain (G) are set so that the above equation (46) becomes stable. It is necessary to decide.
[0143]
Therefore, when the above equation (46) is Z-transformed, the following equation (47) is obtained, and the following equation (48) is obtained by modifying the equation (47).
[0144]
[Equation 47]

[0145]
[Formula 48]

[0146]
In this case, the condition for the above expression (48) to be stable is a combination in which the coefficients (F−2, GT + 1−F) of the second and third terms on the left side fall within the triangular area of FIG. The values of F and G may be determined so that these coefficients are combined into the triangular area.
[0147]
Then, the sliding mode controller 40 determines the reaching law input (Urch (k)) and the adaptive law input (Uadp (k)) from the above formulas (43) and (44) based on the values of F and G thus determined. And the equivalent control input (Ueq (k)) is determined from the above equation (41), and the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 is determined by the above equation (38).
[0148]
Next, referring to FIG. 1, in the actual synchronization mechanism 2, in order to synchronize the rotational speeds of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7, it is necessary to press the coupling sleeve 6 against the synchronized the ring 8 with a constant force. There is. Therefore, in the model shown in FIG. 2, after the inertial system object 30 and the elastic system object 31 are in contact with each other, a configuration for performing a control to apply a constant pressing force from the inertial system object 30 to the elastic system object 31 is necessary. Become.
[0149]
Here, the armature current (Im) of the electric motor 10 in a state where the inertial system object 30 and the elastic system object 31 are in contact with each other is expressed by the above equation (21). Since the acceleration of the object 30 is considered to be zero (the second derivative of Psc is zero), the upper air equation (21) takes the form of the following equation (49).
[0150]
[Formula 49]

[0151]
The constant pressing force is a reaction force of the force (Fsc) that the inertial system object 30 receives from the elastic system object 31. Therefore, in order to keep the pressing force constant, the relationship of the following equation (50) is established. That's fine.
[0152]
[Equation 50]

[0153]
However, Im_cmd: target current value.
[0154]
Further, the following equation (51) for calculating the deviation (Eim) between the actual armature current (Im) and the target current value (Im_cmd) can be obtained by converting the above equation (50) into discrete time.
[0155]
[Formula 51]

[0156]
Here, as can be seen from the above equations (20) and (21), the synchronization mechanism 2 receives the voltage (Vin) applied to the electric motor 10 as an input, and the position (Psc) of the inertial system object 30 and the electric motor 10. It is expressed as a model of a 1-input 2-output system that outputs an armature current (Im).
[0157]
However, until the inertial system object 30 and the elastic system object 31 come into contact with each other, only the position (Psc) of the inertial system object 30 needs to be controlled. Therefore, the sliding mode controller 40 controls the synchronization mechanism 2 as a 1-input 1-output model that receives the voltage (Vin) applied to the electric motor 10 as an input and outputs the position (Psc) of the inertial system object 30 as an output. Just do.
[0158]
Therefore, in order to perform feedback control of the armature current (Im) of the electric motor 10, the sliding mode controller 40 is targeted for a one-input two-output system model from a one-input one-output system model. It is necessary to switch to what you did. However, when the sliding mode controller 40 is switched in this way, discontinuity of the input (Vin) occurs, and it is difficult to stabilize the control state when the sliding mode controller 40 is switched.
[0159]
Therefore, the voltage determination unit 24 does not switch the sliding mode controller 40, and sets the compliance parameter (VPOLE) for setting the compliance of the sliding mode controller 40 to the armature current ( Im), the pressing force from the inertial system object 30 to the elastic system object 31 is stabilized.
[0160]
First, the feedback control of the armature current (Im) includes (1) the quick response of the armature current (Im) to the target current (Im_cmd), (2) the stability of the armature current (Im) proportional to the pressing force, In consideration of the above, the simple sliding mode control according to the following equations (52) to (57) is used.
[0161]
[Formula 52]

[0162]
[53]

[0163]
[Formula 54]

[0164]
[Expression 55]

[0165]
[Expression 56]

[0166]
[Equation 57]

[0167]
However, Limit: -1 to 0 limit processing, F_Im: reaching law gain, G_Im: adaptive law gain, POLE_Im: switching function setting parameter, VPOLE_bs: reference value of VPOLE, Urch_Im: reaching law input, Uadp_Im: adaptive law input.
[0168]
A control block diagram of the current feedback system is shown in FIG. In the control block diagram of FIG. 7, instead of using a sliding mode controller whose control target is a one-input two-output system model, an armature current ( Im) is a double feedback system provided with a current feedback section 50 for controlling.
[0169]
Note that the current feedback unit 50 is included in the voltage calculation unit 41 illustrated in FIG. 3. The subtractor 51 calculates the current deviation (E_Im) from the above equation (52), the switching function calculator 52 calculates the value of the switching function (σ_Im) from the above equation (53), and the proportional calculator 53 calculates the above value. The reaching law input (Urch_Im) is calculated by the equation (54), and the adaptive law input (Uadp_Im) is calculated by the integrator 55 and the integration multiplier 56 by the above equation (55).
[0170]
Further, the compliance parameter (VPOLE_Im) reflecting the current feedback by the above equation (56) is calculated as an operation amount by the adder 57 and the adder 58, and the limiting process is performed by the limiter 59 by the above equation (57). A compliance parameter (VPOLE) for the controller 40 is determined.
[0171]
Next, the compliance parameter calculation unit 41 shown in FIG. 3 sets the compliance parameter (VPOLE) for setting the compliance of the sliding mode controller 40 that controls the operation of the synchronization mechanism 2 in the following three steps. To do.
[0172]
Step 1 (corresponding to the contact step of the present invention): target value follow-up control: control of the position (Psc) of the inertial system object 30 and compliance at the time of contact between the inertial system object 30 and the elastic system object 31. The compliance parameter (VPOLE) is determined according to the position (Psc) of the inertial system object 30.
[0173]
Step 2: Synchronous rotation control: Control of the pressing force to the elastic object 31. The compliance parameter (VPOLE) is determined by feedback of the armature current of the electric motor 10 described above.
[0174]
Step 3: Stationary control: Control for stopping the forward movement of the inertial object 30 after rotation synchronization (after the engagement of the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 in the synchronization mechanism 2 is completed). Keep the compliance parameter (VPOLE) constant.
[0175]
Then, the compliance parameter calculation unit 41 may cause a variation or change in the position of switching from the process 1 to the process 2 or the timing of switching from the process 2 to the process 3 due to mechanical variation or aging of the synchronization mechanism 2. It is necessary to switch processes stably. A method for determining the process switching timing will be described below.
[0176]
The upper graph of FIG. 8 shows the deviation (Esc = Psc−Psc_cmd) between the actual position (Psc, d in the figure) and the target position (Psc_cmd, e in the figure) of the inertial system object 30 when each process is switched. The vertical axis is set to the actual position (Psc) and the target position (Psc_cmd) of the inertial system object 30, and the horizontal axis is set to time (t). As is apparent from the graph, the deviation (Esc) changes as follows when the processes are switched.
[0177]
When switching from step 1 to step 2: The movement of the inertial system object 30 is suppressed by the contact with the elastic system object 31, and the actual position (Psc) is delayed with respect to the target position (Psc_cmd). Esc) increases in the negative direction.
[0178]
When switching from step 2 to step 3: When the rotational synchronization of the elastic system object 31 and the inertial system object 30 is completed and the position (Psc) of the inertial system object 30 reaches the target position (Psc_cmd), the deviation (Esc ) Decreases in the positive direction.
[0179]
Therefore, each process is switched by detecting such a change in deviation (Esc), and the value of the compliance parameter (VPOLE, f in the figure) is set according to each process as shown in the lower part of FIG. You only have to set it.
[0180]
However, the actual synchronization mechanism 2 shown in FIG. 1 is a control object with a large mechanical backlash, backlash, and friction. For this reason, the controllability becomes higher when the sampling period of the control device 1 is set shorter. However, when the deviation (Esc) is calculated with the sampling period set shorter, the SN ratio decreases and a change in the deviation (Esc) is detected. It becomes difficult to do. Therefore, the wavelet transform filter 43 (see FIG. 3) provided in the voltage determination unit 24 performs wavelet transform on the deviation (Esc) and extracts only the low frequency component of the deviation (Esc), as will be described below. This makes it easy to detect a change in the deviation (Esc).
[0181]
The wavelet transform filter 43 has the configuration shown in FIG. 9A, and performs filtering by repeating half-band low-pass filter processing and decimation processing according to the following equation (58) twice.
[0182]
[Formula 58]

[0183]
Where u: input data, η: time series number of sampling period.
[0184]
The first-stage half-band low-pass filter 70 shown in FIG. 9 (a) performs the current sampling cycle input value (Esc (k)) and the previous sampling cycle input value (Esc (k-1)). The second half-band low-pass filter 71 performs the process of the above formula (57), and the current value of Esc_wv ₁ (m ₁ ) obtained by performing the decimation process 72 on the output of the first-stage half-band low-pass filter 70 and the previous time For the values (Esc_wv ₁ (m ₁ ) and Esc_wv ₁ (m ₁ −1)), the processing of the above equation (58) is performed.
[0185]
As shown in FIG. 9B, the half-band low-pass filters 70 and 71 block the frequency component that is half or more of the sampling frequency (Nyquist frequency) and the gain of the low-frequency component is greater than 1. Therefore, the low-frequency component The effect of amplifying the gain with respect to is obtained.
[0186]
Further, the decimation processes 72 and 73 (2 ↓) in FIG. 9A are thinning processes, and as shown in FIG. 10A, the thinning process for sampling every other input data (u) is performed. .
[0187]
The wavelet transform filter 43 repeatedly performs the processing by the half-band low-pass filters 70 and 71 and the decimation processing 72 and 73, thereby amplifying the gain and a low frequency component (Esc_wv) as shown in the graph of FIG. To extract. Note that the vertical axis of the graph shown in FIG. 10B is set to gain, and the horizontal axis is set to frequency.
[0188]
As a result, the high frequency component of the input signal (Esc) is removed and the gain for the input signal (Esc) is amplified, so that the SN ratio can be improved by changing the low frequency component of the input signal (Esc). Can be extracted.
[0189]
Then, the compliance parameter calculation unit 41 uses ΔEsc_wv (= Esc_wv (m) −Esc_wv (m−1)), which is the change amount of the wavelet transform value (Esc_wv) of the deviation (Esc), as shown below. Switch processes.
[0190]
・ Switching from process 1 to process 2: Psc> Psc_def and Esc_wv> X_SCCNT
・ Switching from step 2 to step 3: Psc> Psc_def and ΔEsc_wv> X_SCDONE
However, Psc_vp: VPOLE variable start position in step 1, X_SCCNT: Esc_wv contact determination threshold, X_SCDONE: rotation synchronization completion determination threshold.
[0191]
A procedure for controlling the operation of the synchronization mechanism 7 by the control device 1 configured by the method described above will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When the control device 1 receives a signal for instructing shifting of the transmission from the main controller (not shown) of the automobile, the control device 1 proceeds from STEP1 to STEP2.
[0192]
Then, according to the shift position (first speed, second speed,..., Neutral) selected by the main controller, the control device 1 causes the target position setting unit 22 to cup as shown in FIG. The movement pattern of the ring sleeve 6 is set as the target position (Psc_cmd). Further, the control device 1 sets the change position (Psc_vp) of the compliance parameter (VPOLE) and the standby position (Psc_def) of the synchronizer ring 8 in the first step.
[0193]
In subsequent STEP 3, the control device 1 calculates a deviation (Esc) between the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 calculated by the above equation (33) by the actual position grasping unit 21 and the target position (Psc_cmd). To do. In the figure, k means the kth sampling period, and Psc (k) and Psc_cmd (k) represent the actual position and the target position of the coupling sleeve 6 in the kth sampling period, respectively.
[0194]
In the next STEP 4, the control device 1 performs processing by the wavelet transform filter 43 described above, and calculates a wavelet transform value (Esc_wv) of the deviation (Esc). In the figure, Esc_wv (m) represents a wavelet transform value calculated based on the deviation (Esc (k)) in the kth sampling period as shown in FIG. 9A.
[0195]
The following STEP5 to STEP7 are processes for determining the switching timing of each of the above-described steps (step 1, step 2, step 3). STEP5 and STEP6 set the switching condition from step 1 to step 2, and STEP7 is A switching condition from step 2 to step 3 is set.
[0196]
First, in STEP5, until the actual position (Psc (k)) of the coupling sleeve 6 passes the standby position (Psc_def) of the synchronizer ring 8, the process branches to STEP20, and the compliance parameter (VPOLE) shown in FIG. ), The compliance parameter calculation unit 41 sets the compliance parameter (VPOLE) in the vicinity of 0 (for example, −0.2). In the setting table shown in FIG. 12B, the vertical axis is set to the compliance parameter (VPOLE), and the horizontal axis is set to the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6.
[0197]
As a result, the compliance of the synchronization mechanism 2 is lowered until the change position (Psc_vp) of the compliance parameter (VPOLE) is reached after the movement of the coupling sleeve 6 is started, and the influence of disturbance is suppressed and stabilized. Thus, the coupling sleeve 6 can be moved.
[0198]
When the coupling sleeve 6 passes the compliance parameter (VPOLE) changing position (Psc_vp, corresponding to a position where the distance between the contact body and the contacted body of the present invention is equal to or less than a predetermined distance), the compliance parameter calculation unit 41 reduces the compliance parameter (VPOLE) to near −1 (eg, −0.99). In this way, by reducing the value of the compliance parameter (VPOLE) in advance immediately before the coupling sleeve 6 and the synchronizer ring 8 actually come into contact with each other, the compliance of the synchronization mechanism 2 is increased, whereby the coupling sleeve 6 is synchronized with the synchronizer ring 8. It is possible to relieve the impact that occurs when touching.
[0199]
Then, in the next STEP 6, when Esc_wv (m)> X_SCCNT which is the switching condition from Step 1 to Step 2 is satisfied, that is, when contact between the coupling sleeve 6 and the synchronizer ring 8 is detected. Proceed to STEP 7. In STEP 7, when ΔEsc_wv (m)> X_SCDONE, which is the switching condition from Step 2 to Step 3 described above, is satisfied, that is, the rotation of the coupling sleeve 6 and the synchronizer ring 8 is synchronized. When it passes through the synchronizer ring 8 and engages with the synchronized gear 7, it branches to STEP 30.
[0200]
On the other hand, when ΔEsc_wv (m)> X_SCDONE is not satisfied in STEP 7, the process proceeds to STEP 8, and the compliance parameter calculation unit 41 switches from step 1 to step 2 and executes the above-described compliance parameter (VPOLE) calculation process by current feedback. . Then, the voltage determination unit 24 calculates the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 by the sliding mode controller 40 using the compliance parameter (VPOLE) calculated in this way, and uses the applied voltage (Vin) as the electric motor 10. Apply to.
[0201]
As described above, in step 2, the armature current (Im) of the electric motor 10 is maintained at the target current (Im_cmd) by the feedback process of the armature current (Im) of the electric motor 10, and the output torque of the electric motor 10 is maintained. Is controlled to be constant, and the pressing force of the coupling sleeve 6 against the synchronizer ring 8 can be stabilized.
[0202]
As a result, it is possible to prevent the coupling mechanism 6 from being pressed against the synchronizer ring 8 with an excessive force and causing the synchronization mechanism 2 to be damaged.
[0203]
In step 3, the compliance parameter (VPOLE) is set to a constant value (X_VPOLE_END) by the compliance parameter calculation unit 41 in STEP30. The voltage determination unit 24 calculates the applied voltage (Vin) to the electric motor 10 by the sliding mode controller 40 using the compliance parameter (VPOLE = X_VPOLE_END), and applies the applied voltage (Vin) to the electric motor 10. Then, the movement of the coupling sleeve 6 is immediately stopped.
[0204]
As a result, even after the engagement between the coupling sleeve 6 and the synchronized gear 7 is completed, the coupling sleeve 6 is prevented from being pressed against the asynchronous gear 7 with excessive force, and the synchronization mechanism 2 is not damaged. is doing.
[0205]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the coupling sleeve 6 is provided on the input shaft 5 side, and the synchronization mechanism 2 in which the synchronized gear 7 is connected to the drive shaft is targeted. Is also provided on the output shaft side, and the present invention can also be applied to a synchronization mechanism in which a synchronized gear is connected to an input shaft.
[0206]
In the present embodiment, the voltage determination unit 24 uses an adaptive sliding mode having an adaptive law input that takes into account the influence of disturbance or the like, but uses a general sliding mode control in which the adaptive law input is omitted. Alternatively, other types of response specifying control such as backstepping control may be used. Moreover, although the voltage determination part 24 performed the current feedback process using sliding mode control, the effect of this invention can be acquired also when performing a current feedback process without using sliding mode control.
[0207]
In the present embodiment, the actual position grasping unit 21 grasps the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 based on the model shown in FIG. 2, but a position sensor is provided to detect the position of the position sensor. The actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 may be directly grasped from the signal and the lever ratio between the motor 10 and the coupling sleeve 6.
[0208]
In the present embodiment, the example in which the present invention is applied to the synchronization mechanism 2 provided in the transmission of the automobile is shown, but the application target of the present invention is not limited to this. For example, FIG. 13 shows an example in which a machine tool for drilling a workpiece 80 with an end mill 81 is modeled with the end mill 81 side as an inertia system object and the workpiece 80 side as an elastic object, and the present invention is applied. Yes. The end mill 81 is attached to the vertical movement actuator 83 by a chuck 82.
[0209]
As shown in FIG. 13, the drilling process is divided into the following three processes as in the case of the control for the synchronization mechanism 2 described above.
[0210]
Step 1: Until the end mill 81 comes into contact with the workpiece 80, the tip of the end mill 81 reaches the workpiece 80 in a short time, and the impact at the time of contact between the end mill 81 and the workpiece 80 is suppressed.
[0211]
Step 2: Cutting the workpiece 80 while applying a constant pressing force (Fc) to the end mill 81.
[0212]
Step 3: When the drilling of the workpiece 80 is finished and the drag from the workpiece 80 is lost, the end mill 81 is rapidly lowered, and thus the lowering of the end mill 81 is stopped so that the chuck 82 does not collide with the workpiece 80.
[0213]
Then, the actual position (Py) of the end mill 81 is replaced with the actual position (Psc) of the coupling sleeve 6 in the synchronization mechanism 2 shown in FIG. 1, and the change position (Py_vp, synchronization mechanism 2) of the compliance parameter (VPOLE) in step 1 is replaced. And the standby position of the workpiece 80 (Py_def, which corresponds to Psc_def in the control of the synchronization mechanism 2) and the like, and the operation of the vertical movement actuator 83 is controlled to thereby reduce the drilling time. While shortening, the impact at the time of contact between the end mill 81 and the workpiece 80 can be reduced, and an excessive pressing force can be prevented from being applied to the workpiece 80 during cutting.
[0214]
In the present embodiment, an example in which the electric motor 10 is used as the actuator of the present invention has been described. However, even when other types of electric actuators, pneumatic or hydraulic actuators are used, Applicable [Brief description of drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a synchronization mechanism and its control device.
2 is an explanatory diagram of modeling of the synchronization mechanism shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a control block diagram of the control device shown in FIG. 1;
4 is a graph showing the behavior of the sliding mode controller shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a graph showing the effect of changing the compliance parameter.
FIG. 6 is a graph showing conditions for setting a reaching law gain and an adaptive law gain.
FIG. 7 is a control block diagram of a control device to which current feedback processing is added.
FIG. 8 is a graph showing the switching timing of the control process.
FIG. 9 is a configuration diagram of a wavelet transform filter.
FIG. 10 is an explanatory diagram of decimation processing in a wavelet transform filter.
FIG. 11 is an operation flowchart of the control device.
FIG. 12 is a diagram showing a setting table for target positions and compliance parameters.
FIG. 13 is a diagram showing a drilling process by a machine tool.
FIG. 14 is a configuration diagram of a conventional synchronization mechanism.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Control apparatus, 2 ... Synchronous mechanism, 5 ... Input shaft, 6 ... Coupling sleeve, 7 ... Synchronized gear, 8 ... Synchronizer ring, 10 ... Electric motor, 11 ... Shift fork, 15 ... Speed sensor, 20 ... Current detection unit, 21 ... actual position grasping unit, 22 ... target position setting unit, 23 ... target current setting unit, 24 ... voltage determination unit, 30 ... inertia system object, 31 ... elastic system object, 40 ... sliding mode controller, 41 ... Compliance parameter calculation unit, 43 ... Wavelet transform filter

Claims (1)

A contact body provided so as to be movable in one axial direction, an actuator connected to the contact body to move the contact body, and a contacted body that contacts the contact body when the contact body moves to a predetermined position The contact mechanism is controlled by moving the contact body by the actuator from the state where the contact body and the contacted body are opposed to each other with a gap. A control device,
The contact mechanism is a synchronization mechanism that switches between transmission / cutoff of power,
The contact body is a first engagement member provided on a shaft so as to be integrally rotatable, and the contacted body is a second engagement member that is relatively rotatable with respect to the shaft and is not axially movable. The first engagement member and the second engagement member are provided between the first engagement member and the second engagement member so as to be rotatable and movable in the axial direction. The first engagement member and the second engagement member are synchronized with each other by the frictional force generated when the first engagement member and the second engagement member are brought into contact with each other to synchronize the rotational speeds of the first engagement member and the second engagement member. A synchronizing member capable of engaging the combined member and the second engaging member,
Target position setting means for setting a target position of the first engagement member in the process of moving the first engagement member 6 and engaging with the second engagement member 7 via the synchronization member 8;
An actual position grasping means for grasping an actual position of the first engagement member;
Means for grasping a pressing force of the first engagement member against the synchronization member;
A response capable of variably specifying the attenuation behavior and the attenuation speed of the deviation between the target position and the actual position of the first engagement member so that the target position and the actual position of the first engagement member coincide with each other. Using the specified control, the operation amount for driving the actuator is determined so that the value of the switching function defined by the linear function based on the deviation is converged to zero, and the operation coefficient of the linear function is An operation amount determining means for setting according to the actual position of the first engaging member,
In the contacting step, the operation amount determining means determines the calculation coefficient when the first engagement member moves to a position where a distance between the first engagement member and the synchronization member is a predetermined distance or less. Set the direction to reduce the ability to suppress disturbance,
Thereafter, during the period from the degree of deviation of the actual position of the first engaging member with respect to the target position exceeds a first predetermined level, until the decrease in the amount of change該乖away degree exceeds a second predetermined level Sets the calculation coefficient of the linear function so that the pressing force of the first engagement member against the synchronization member is maintained at a target value,
Control device for the contact mechanism in which the divergence degree when reduced by a change amount that exceeds the second predetermined level, and sets the direction in which the suppressing capability increases operational coefficient to the disturbance of the linear function.

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